Как работят паяжините
Как паяжините придобиват сила? Не става дума само за силата на самата коприна, се казва в ново проучване; начинът, по който се простира коприната и дори цялата структура на паяжината, допринася за устойчивостта срещу повреда.
Коприната, която паяците използват за изграждане на платната си, за улавяне на плячка и за люлеене на тавана ви, е един от най-здравите познати материали. Но се оказва, че не просто изключителната здравина на материала прави паяжината толкова устойчива, а необичайната комбинация от здравина и разтягане на материала - характерният начин коприната първо да омекне и след това да се втвърди, когато е разтегнат. Учените са установили, че тези свойства варират в зависимост от приложените сили, както и цялостния дизайн на паяжината.
Маркус Бюлер, доцент по гражданско и екологично инженерство (ЕИО) в Масачузетския технологичен институт, анализира преди това сложната, йерархична структура на паяковата коприна и нейната невероятна сила - като прави сравнение между две равни маси, паяковата коприна е повече по-здрав от стомана. Сега Бюлер и колеги са приложили своите изследвания върху структурата на самата паяжина, като са намерили доказателства за свойствата, които правят паяжината толкова еластична и са свързвали тези свойства с молекулярната структура на копринените влакна.
Уроците, научени от това изследване, казва Бюлер, могат не само да помогнат за разработването на по-устойчиви на повреди синтетични материали, но също така могат да предоставят принципи на проектиране, които могат да бъдат приложени към мрежови системи, като например било то Интернет или електрическата мрежа.
Доклад, описващ новите открития, е публикуван тази седмица в Nature. В допълнение към изследването на Бюлер, тази статия е написана от завършилите ЕИО Стивън Кранфорд и Тараканова Анна, заедно с Пуньо Никола от Политехническото училище в Торино в Италия.
Изглежда, че ключово свойство на паяковата коприна, което помага за създаването на здрави кърпи, е нещо, което преди се е смятало за слабост: начинът, по който може да се разтегне и омекоти отначало, когато се разтегне и след това се втвърди отново, на тъй като приложената сила на опън се увеличава.
Тази втвърдяваща реакция е решаваща за това как паяковата коприна се противопоставя на щетите. Бюлер и неговият екип разгледаха как материалите с различни свойства, подредени в един и същи модел на паяжина, реагират на фокусиран натиск. Те откриха, че материалите с други реакции - тези, които се държат или като права пружина, прости при опъване, или тези, които започват като се държат еластично и след това стават по-„пластични“ - са много по-малко ефективни.
Изглежда, че паяжините могат напълно да издържат на удар, без да се чупят. Повредата има тенденция да бъде ограничена до едно място, засягайки само няколко нишки - мястото, където насекомо е било уловено в и около кърпата, например. Тази ограничена повреда може просто да се поправи, вместо да се замени или дори да се остави, както е, ако острието продължава да функционира както преди. „Въпреки че има много недостатъци, тъканта всъщност продължава да работи механично и практически по същия начин“, казва Бюлер. "Това е много устойчива на повреди система."
Изследванията на Buehler са до голяма степен теоретични, базирани на компютърно моделиране на свойствата на материалите и как те реагират на натиска. Но в този случай, за да тестват констатациите, той и неговият екип буквално използваха полето на дейност: те на практика тестваха паяжините, като ги хапеха и чупеха. Във всички случаи щетите бяха ограничени до района в близост до обезпокоеното място.
Ефектът е бил донякъде изненадващ, казва Бюлер: първоначалният отговор е деформация на цялата тъкан, тъй като конците първоначално са относително лесни за деформиране. Но след това, поради нелинейната реакция на влакната, само нишките, където е приложена силата, поддържат тежестта - чрез разтягане, след което отново стават твърди. С увеличаването на силата в крайна сметка те се счупиха.
„Независимо къде дърпате, платното винаги ще отстъпва точно на това място“, казва Бюлер. Всеки може да опита този прост експеримент, добавя той: Просто изтръгнете копринена нишка от паяжина и тя трябва да се скъса само там, където е изтеглена. За разлика от тъканта, изработена от материал с по-равномерна опънна реакция, местното налягане причинява по-широко увреждане.
При силен вятър, от друга страна, първоначалната твърдост на коприната е това, което помага на платното да оцелее. Платното в симулацията на Buehler успя да толерира ветровете до силата на урагана, преди да се счупи.
Инженерите са склонни да се фокусират върху материали с еднакви, линейни реакции, казва Бюлер, тъй като техните свойства са много по-лесни за изчисляване. Но това проучване предполага, че може да има важни предимства на материалите с по-сложни отговори. В необичайните отговори на паяковата коприна, например - първоначално твърда, след това еластична, после отново твърда - "всяка част от това забавно поведение има фундаментална роля, за да направи платното също толкова силно", казва той. крайната мощност, измерена след точката им на прекъсване, често се държи много различно в реалните приложения. "Ефективната мощност не е толкова важна, а важното е как стигнахте до там", казва той.
Основният принцип за допускане на ограничени щети, така че една обща конструкция да оцелее, казва Бюлер, би могъл в крайна сметка да ръководи строителните инженери. Например, устойчивите на земетресения сгради обикновено са проектирани да защитават цялата сграда чрез разсейване на енергията, намалявайки натоварването на конструкцията. Когато отстъпят, те са склонни да го правят изцяло.
Новият дизайн може да позволи падането да се огъне до точка, а след това някои структурни елементи могат да се счупят първо, позволявайки на останалата част от конструкцията да оцелее; това може да позволи на сградите в крайна сметка да бъдат ремонтирани, а не разрушени. Подобни принципи могат да се прилагат и при проектирането на самолети или бронирани превозни средства, които могат да издържат на локални повреди и да продължат да работят.
Такива "жертвени елементи" могат да бъдат използвани не само за физически обекти, но и при проектирането на мрежови системи: например компютър, който би се изправил срещу вирусна атака, може да бъде проектиран да се изключи непосредствено преди проблемите му да се разпространят. След това, един ден World Wide Web може да бъде практически консолидиран благодарение на уроците, извлечени от градинската версия, която вдъхнови името му (web = платно).
„Това е реален шанс“, казва Бюлер. „Отваря се нов дизайнерски вариант за инженерство.“
Дейвид Каплан, професор по инженерство в университета Туфтс и директор на неговия Център за биологично инженерство, нарича откритията „доста завладяващи“. Той казва: "Комбинацията от моделиране и експериментиране прави това особено привлекателно като платформа за проучване и изследване при проектирането на материали и режимите на откази като цяло, като се има предвид структурната йерархия."
„Вярвам, че тези принципи ще окажат въздействие в широк спектър от области, като медицина, бъдещи материали и архитектура“, добавя Филип Ледук, професор по машиностроене в университета Карнеги Мелън.
Тези документи и проучвания са подкрепени от Бюрото за военноморски изследвания, Националната научна фондация, Службата за армейски изследвания и Програмата MIT-Италия.
Статията е превод на статията Как паяжините постигат своята сила, публикувана на уебсайта.mit.edu.
Превод: Анамария Спатару
Можете да коментирате използване на акаунта на сайта, от FB, Twitter или Google или като посетител (без регистрация). За посетителите коментарите са умерени (одобрени от администратор).